パッシブマトリクス対アクティブマトリクス - 初心者向けガイド

ディスプレイ画面が鮮明な画像と鮮やかな色をどのように生成するのか、考えたことはありますか？その答えは、何百万もの微小なピクセルがピクセルアドレス指定によって制御される仕組みにあります。この制御は主に、アクティブマトリクス方式とパッシブマトリクス方式の技術によって管理されています。

---

---

マトリクスディスプレイとは何か？

マトリクスディスプレイは、ピクセルと呼ばれる微小な発光素子の格子で構成される電子ディスプレイである。個々のピクセルを点灯または消灯させることで、文字、記号、画像、動画アニメーションを表示する。テレビ、スマートフォン、ノートパソコン、産業用・商業用ディスプレイなど、現代のデジタル画面において極めて一般的な表示方式である。

マトリクス表示の仕組み

マトリクス表示装置は、行と列のグリッド内で各画素のオン/オフ状態を制御することで画像を生成する。各画素はマルチプレクシングと呼ばれる手法で個別にアドレス指定可能であり、行と列を選択的に活性化することで特定の画素を点灯させる。この交差点を制御する方法が、アクティブマトリクスとパッシブマトリクス表示装置を区別する要素である。

---

液晶ディスプレイと有機ELディスプレイにおけるマトリクス表示技術

マトリクス技術は液晶ディスプレイと有機ELディスプレイの両方で画素制御に用いられるが、光の管理方法が異なる。

液晶ディスプレイ（LCD）は、液晶セルを透過するバックライトを使用します。マトリクスは各セルに開閉のタイミングを指示し、透過光量を調整します。受動型LCDは単純な電極グリッドを用いる一方、能動型LCDは各画素にトランジスタを割り当て、より精密な制御を実現します。

OLEDはバックライトを必要としません。各ピクセルが独立して発光します。PMOLED（パッシブマトリクスOLED）は基本グリッドを使用するのに対し、AMOLED（アクティブマトリクスOLED）は個別のトランジスタを使用し、より高速な応答と鮮明な画像を実現します。

両方の表示方式はマトリクスアドレス方式を採用しているが、マトリクスの選択は性能、消費電力、画質に影響を与える。

PMOLED対AMOLED

パッシブマトリクスとアクティブマトリクスは、OLEDディスプレイを制御する二つの方式である。どちらも自発光ピクセルを使用するが、その違いはピクセルのアドレス指定方法にある。

PMOLEDは単純な行と列のグリッドを用いて画素を駆動する。この構造は解像度とサイズに制限があるが、簡素さと低消費電力が最も重要なコンパクトディスプレイには適している。

AMOLEDは各画素に薄膜トランジスタを採用しており、高速なスイッチング、高コントラスト、優れた動きの鮮明性を実現します。これにより、スマートフォンや産業用インターフェースなど、大型または高度な用途に最適です。

PMOLEDとAMOLEDの選択は、必要な性能レベルによって決まります：基本的なタスクにはPMOLED、高速で高精細なビジュアルにはAMOLEDが適しています。

---

マトリクス技術の進化

マトリクスアドレス方式は、画面性能の向上に対する需要の高まりと共に発展してきた。初期の実装では、構造が単純で低コストなパッシブマトリクス方式が採用された。これらはゲームコントローラーやUSBアクセサリ、パスワードキーホルダーなどのコンパクト電子機器など、表示要求が最小限のデバイスに広く見られた。

画質と速度への要求が高まるにつれ、アクティブマトリクス技術が普及した。現在では、スマートフォン、高級テレビ、ゲーミングモニター、Nintendo Switchなどのデバイスを含む高度な用途において、アクティブマトリクスディスプレイが標準となっている。一方、パッシブマトリクスは、低消費電力と基本的な視覚出力を優先する設計において、依然として実用的な選択肢である。

パッシブマトリクスディスプレイ

パッシブマトリクス表示は、電極と呼ばれる縦横の導電線格子を用いて各画素を制御する表示技術の一種である。画素はこれらの行と列の交点に位置し、電圧が印加されるとその交点の画素が活性化され、光学特性を変化させて発光する。

パッシブマトリクスディスプレイの構造

パッシブマトリクスディスプレイは、アクティブマトリクスディスプレイと比較して構造が単純です。個々のトランジスタではなく、電極のグリッドを用いてその交点にある画素を制御します。主要な構成要素は以下の通りです：

• 行電極：電気信号を伝導する水平線です。特定の行にある全ての画素に接続されます。
• 列電極：電気信号を伝導する垂直線です。特定の列にある全ての画素に接続されます。
• 画素電極：これらは行電極と列電極の交点に位置し、印加電圧に基づいて各画素の光特性（輝度、色）を決定する。液晶ディスプレイ（LCD）パネルでは、電界によって画素電極の特性を操作し、透過するバックライトを制御する。 有機発光ダイオード（OLED）パネルでは、画素電極自体が発光素子となる。画素電極に直接電圧を印加することで発光する。

関連：LCDとOLEDの違い

パッシブマトリクス表示の仕組み

パッシブマトリクス表示装置は、画面上の各画素を制御するために細いワイヤ（電極）のグリッドを使用します。このグリッドアドレス方式こそが、パッシブマトリクス表示装置をシンプルでコスト効率の良いものにしています。必要な制御ラインは2組のみです：1組は行用（m本）、もう1組は列用（n本）です。これにより合計（m+n）本の制御ラインとなり、他の表示技術と比べてはるかにシンプルな設計となっています。

仕組みは次の通りです：

グリッドアドレス方式：パッシブマトリクスディスプレイは、電極のグリッド（行と列）を用いて交点にある画素を制御する。特定の画素を活性化するには、対応する行と列に同時に電圧を印加する。これにより目的の画素交点に電圧差（Vsel - Von または Vunsel - Voff）が生じ、画素のオン/オフを切り替える。LCDパネルでは、この電界が液晶の配向を変化させ、バックライトの透過量を増減させる（明るい画素）か、光を遮断する（暗い画素）か決定する。OLEDディスプレイでは、印加電圧が個々のOLED素子の輝度を直接制御する。

画像の更新：ピクセルは自身の状態を長く保持できないため、このプロセスを非常に高速に繰り返し、行ごとに画面を絶えず更新する必要がある。

詳細はこちら：透過型 vs 反射型 vs 半透過型ディスプレイ

パッシブマトリックスの利点：

• 手頃な価格：パッシブマトリクスディスプレイは部品点数が少ないため、製造コストが安くなります。
• 低消費電力（静止画の場合）：ピクセルが継続的に能動制御されないため、パッシブマトリクスディスプレイは静止画表示時に消費電力を抑えることができます。
• 基本的な用途に適しています：高解像度や高速リフレッシュレートを必要としない基本的な用途に最適です。

パッシブマトリックスの欠点：

• 応答速度の低下：パッシブマトリクス方式ディスプレイのリフレッシュ処理はアクティブマトリクス方式よりも遅く、ゴーストやブレを引き起こす可能性があります。特に高速で動く画像や動画において顕著に現れます。
• 視野角の制限：パッシブマトリクス方式による画素制御の仕組みが視野角を制限します。画面を真正面から見ない場合、画質が著しく低下する可能性があります。
• 低コントラスト：パッシブマトリクス方式のディスプレイは、アクティブマトリクス方式のディスプレイと比較して一般的にコントラストが低くなります。これにより、黒がより灰色っぽく見え、全体的な画質が低下する可能性があります。

パッシブマトリクス応用

パッシブマトリクスディスプレイは、高解像度や高リフレッシュレートが重要でない用途で一般的に使用される。例としては、電卓、電子書籍リーダー、目覚まし時計、デジタル温度計、および一部のベーシックなデジタル時計が挙げられる。

---

アクティブマトリクスディスプレイ

アクティブマトリクスディスプレイは、パッシブマトリクスディスプレイと比較して優れた性能を提供するディスプレイ技術の一種である。 アクティブマトリクス技術で最も一般的なのはTFT（薄膜トランジスタ）技術です。このディスプレイでは、各画素が個別のトランジスタによって制御されます。この構成により各画素を直接制御できるため、応答速度が向上し画質が向上します。個々のトランジスタが各画素の状態を次のリフレッシュサイクルまで維持するため、より鮮明で安定した画像が実現されます。

アクティブマトリクスディスプレイの構造

• 信号電極：これらの列は映像信号を伝送し、各列のトランジスタを制御するために必要な電圧を供給する。
• 制御電極：これらはマトリックス内の列であり、トランジスタを駆動する役割を担う。制御電極はトランジスタのゲートに接続され、トランジスタのオン・オフを切り替える。
• 薄膜トランジスタ（TFT）：アクティブマトリクスディスプレイの各画素には、スイッチとして機能するトランジスタが備わっている。 トランジスタのソース（S）とドレイン（D）は電流の流れを制御し、ゲート（G）電極はこの流れを調節する。ゲートに電圧を印加するとトランジスタがオン状態となり、ソースからドレインへ電流が流れ、画素電極を充電する。逆にトランジスタをオフにすると電流の流れが止まり、画素電極は電荷を保持したままとなり、画面上の画像を維持する。
• 共通電極：この電極は通常接地され、全ての画素で共有される。画素電極と連動して、画素内の液晶または発光素子を制御するために必要な電界を生成する。
• 画素電極：ディスプレイの各画素には専用の電極があり、その画素を通過または発光する光の量を制御する役割を担う。画素電極はトランジスタによって駆動される。

アクティブマトリクスディスプレイの仕組み

アクティブマトリクス方式のディスプレイは、トランジスタとコンデンサのグリッドを用いて動作する。各画素には専用のトランジスタが対応しており、その状態を精密に制御できる。トランジスタに電圧が印加されると、画素に接続されたコンデンサが充電され、次のリフレッシュサイクルまでその状態を維持する。

仕組みは次の通りです：

• 制御電極（列）は順次活性化され、選択された列のトランジスタをオンにする。
• 信号電極（列）は、行内の各画素に対応する画像データに相当する電圧信号を提供する。
• 行が選択されると、対応するトランジスタが信号電圧を流すことで画素電極を充電する。
• 画素電極は次のリフレッシュサイクルまで電荷を維持し、画像の安定した表示を保証する。

アクティブマトリックスの利点：

• 優れた画質：トランジスタにより、各画素は次のリフレッシュサイクルまでその状態（オンまたはオフ）を維持します。これにより、より鮮明で安定した画像と優れたコントラストが実現されます。
• 高速応答時間：ピクセル単位の個別制御により応答時間が短縮され、ピクセルの色や輝度をより速く変化させることが可能となります。これにより、特に高速で動く画像や動画において、ブレやゴースト現象が軽減されます。
• より広い視野角：アクティブマトリクスディスプレイは優れた視野角を提供します。

詳細はこちら：輝度向上フィルムのすべて

アクティブマトリックスの欠点：

• コストが高い：製造がより複雑であるため、より高価である。
• 消費電力：アクティブマトリクスディスプレイは一般的に消費電力が大きい。

アクティブマトリクス応用

アクティブマトリクスディスプレイの優れた性能は、ハイエンド産業用スクリーン、スマートフォン、タブレット、モニター、テレビなど、ほぼすべての現代の視覚電子機器に理想的です。

---

パッシブマトリクス対アクティブマトリクス

パッシブマトリクスとアクティブマトリクスの両ディスプレイは画素のグリッドを使用するが、各画素の制御方法が異なる。パッシブマトリクスディスプレイは単純な電極グリッドを用いるため、低コストだが応答速度と視野角が制限される。アクティブマトリクスディスプレイは個々の画素制御にトランジスタを使用するため、応答速度が速く、画像が鮮明で、視野角が広い。しかし、この優れた性能は消費電力の増加と高価格という代償を伴う。

パッシブマトリクス方式のディスプレイは、基本的な低コスト用途に適している一方、アクティブマトリクス技術は現代の電子機器における高解像度・高性能ディスプレイを支配している。

電力効率に関する考慮事項

パッシブマトリクスディスプレイは、特に静的コンテンツを表示する場合、一般的に消費電力が少ない。そのシンプルな構造と能動素子の不在が、基本的な用途におけるエネルギー消費の削減に寄与している。

アクティブマトリクスディスプレイは、特に大型または高輝度の画面において、ピクセルの制御が常時行われるため消費電力が大きくなる。しかし、アクティブマトリクス設計の改良により、時間の経過とともに効率が向上している。

電力消費は、画面の更新頻度と視覚効果の複雑さに左右されることが多い。シンプルな表示にはパッシブマトリックスの効率性が有利に働く一方、高度な画面では性能向上のために電力を犠牲にする。

ユーザー体験への影響

各マトリックスがピクセル応答を管理する方法は、ディスプレイの表示品質と応答性に直接影響します。パッシブマトリックス方式では、動きのある映像で目立つ残像やゴースト現象が発生し、斜めから見た際に色調が変化することがあります。こうした特性は、シンプルなインターフェースや静止画を表示するデバイスでは目立ちにくくなります。

アクティブマトリクスディスプレイは、より滑らかな動き、より鮮明な画像、広い視野角にわたる一貫した色再現性を提供します。これにより、タッチインターフェース、動画再生、そして明瞭さと応答性が重要なあらゆる用途に最適です。

アクティブマトリクスよりもパッシブマトリクスを選ぶべき場合

パッシブマトリクスディスプレイは、速度や画像の鮮明さよりもコスト、簡素さ、低消費電力が重視されるデバイスに適している。温度計、小型制御パネル、ウェアラブル機器、限定的または静的な情報を表示する産業用計器など、基本的な用途に最適である。

アクティブマトリクスは、動きや高解像度コンテンツを扱う必要があるあらゆるディスプレイにとって最適な選択肢です。画面が頻繁に更新される場合や詳細な映像を表示する場合、アクティブマトリクスは明らかに優れた体験を提供します。

---

受動型マトリクスと能動型マトリクスの比較

側面	パッシブマトリクス	アクティブマトリクス
ピクセル制御	行と列の電極のグリッドを使用する。	各画素は、それぞれ専用のトランジスタによって制御される。
画質	コントラストとシャープネスを下げる。	より高いコントラスト、より鮮明な画像。
応答時間	遅くなると、ぼやけが生じる場合があります。	高速で、動画や動きに適しています。
電力使用	静的または単純なコンテンツに対してより効率的。	ピクセルの絶え間ない制御により高くなる。
複雑性	シンプルで、部品点数が少ない。	より複雑な回路と設計。
コスト	生産コストの削減。	製造コストが高い。
最適なユースケース	基本デバイス、静的表示、コスト重視の用途。	高解像度ディスプレイ、インタラクティブでメディアリッチなデバイス。

---

結論

受動型マトリクスと能動型マトリクスディスプレイは、プロジェクトの性能と設計目標に応じて異なる役割を担う。受動型マトリクスは、電力消費とコストが優先されるシンプルなインターフェースに実用的な選択肢となる。能動型マトリクスは速度、鮮明さ、応答性を追求して設計されており、現代的な高性能ディスプレイに最適な選択肢である。

次回のディスプレイデザインについて選択肢を検討中なら、当社チームまでご連絡いただくか、即日見積もりをリクエストください。お客様の仕様に合わせたソリューションをご提案いたします。